Сергей Дворцевой родился 18 августа 1962 года в городе Чимкент, Казахстан. Окончил среднюю школу № 29. Параллельно, юноша занимался футболом в детской спортивной школе и даже получил приглашение в команду второй лиги «Угольщик», но вместо футбольной карьеры, поступил в авиационное училище. Позднее, работал в Чимкентском авиационном отряде. Далее, в 1988 году, молодой человек получил дополнительное образование, окончив заочное отделение радиотехнического факультета Новосибирского электротехнического института.
В 1990 году, Сергей поступил на отделение режиссуры неигрового кино Высших Курсов Сценаристов и Режиссеров, в мастерскую Леонида Гуревича и Марка Зеликина. Обучаясь, снял курсовой короткометражный фильм «Счастье» и дипломный фильм «Хлебный день», которые получили несколько десятков Гран-при международных кинофестивалей.
После окончания Высших Курсов Сценаристов и Режиссеров, Дворцевой снял такие документальные фильмы как: «Трасса», «В темноте» и игровой фильм «Тюльпан». Последний получил Главный приз в конкурсной программе «Особый взгляд» Каннского кинофестиваля, а также призы молодежного жюри и Министерства образования Франции в 2008 году.
В 2018 году фильм «Айка» о жизни киргизских мигрантов в Москве номинирован на Золотую пальмовую ветвь Каннского кинофестиваля, а Самал Еслямова, исполнившая главную роль, отмечена призом Каннского фестиваля за лучшую женскую роль. Фильм также получил Гран-при 28-го международного кинофестиваля в германском Котбусе. За главную награду на этой площадке боролись 190 картин из 40 стран.
Помимо Гран-при киноленту удостоили также и приза жюри. Далее, 26 ноября 2018 года фильм выиграл Гран-при токийского кинофестиваля Filmex, а 17 декабря 2018 картина вошла в шорт-лист претендентов на премию «Оскар» в номинации «Лучший фильм на иностранном языке».
Российский режиссер Сергей Дворцевой 1 июля 2019 года вошел в список членов Американской киноакадемии. В 2019 году в состав жюри включены 842 человека из 59 стран.